GNSS全向天线的制作方法

本实用新型实施例涉及遥感应用技术领域，尤其涉及一种GNSS全向天线。

背景技术：

随着GNSS的发展，GNSS遥感探测技术应运而生，其利用无线电波在地球大气中传播的信号或者被地物反射后的信号的幅度、相位等物理量的变化，来反演地球大气、海洋和土壤等的相关要素，应用前景极其广阔。

GNSS遥感天线是GNSS遥感探测技术的主要载荷设备，用于接收掩星探测信号与反射探测信号，相比一般GNSS天线而言，GNSS遥感天线需要具有宽视场和高增益的特性，然而，由于该特性对天线设计的要求较高，当前的GNSS遥感天线并不能从全向探测角域接收信号，也不能实时调整增益主轴来跟踪信号位置。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种GNSS全向天线，以扩大天线的探测角域，并提高天线跟踪信号位置的灵敏度。

本实用新型实施例提供了一种GNSS全向天线，包括：天线辐射单元阵、天线安装架、射频板以及基带板；

所述天线辐射单元阵，均匀分布于所述天线安装架上，与所述射频板相连，用于将接收的多个通道的射频信号发送至所述射频板；其中，所述天线安装架呈球冠状；

所述射频板，与所述基带板相连，用于对接收到的所述射频信号进行滤波放大处理，将处理后的所述射频信号转化为数字信号，并发送至所述基带板；

所述基带板，用于对接收的多个通道的所述数字信号进行数字波束形成处理，确定所述天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，并根据所述当前增益主轴位置以及所述调整相位，调整所述天线辐射单元阵的增益主轴位置为所述预测增益主轴位置。

本实用新型实施例将天线辐射单元阵均匀分布于球冠状天线安装架上，并与射频板相连，再将射频板与基带板相连，利用天线辐射单元阵将接收的射频信号发送至射频板，通过射频板对接收到的射频信号进行滤波放大处理，将处理后的射频信号转化为数字信号并发送至基带板，再利用基带板对接收的数字信号进行数字波束形成处理，根据当前增益主轴位置以及计算出的调整相位，调整天线辐射单元阵的增益主轴位置，通过不断重复上述过程，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。即本实用新型实施例通过将天线辐射单元阵以球冠状分布，保证了所接收到的射频信号为全向探测角域内的信号，并通过实时计算从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，保证了GNSS全向天线可以实时跟踪到射频信号的产生位置。解决了现有技术中GNSS遥感天线不能从全向探测角域接收信号，也不能实时调整增益主轴来跟踪信号位置的问题，扩大了GNSS遥感天线的探测角域，并提高了GNSS遥感天线跟踪信号位置的灵敏度。

附图说明

图1a是本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线的结构示意图；

图1b是本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线的电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线所适用的方法的流程图；

图3是本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线所适用的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1a为本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线的结构示意图，本实施例可适用于接收掩星探测信号、反射探测信号以及常规信号的情况，该GNSS全向天线包括：天线辐射单元阵1、天线安装架2、射频板3以及基带板4。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的GNSS全向天线一般配置在接收机上，所述接收机设置在卫星或者空基平台下方，以实现上述接收掩星探测信号、反射探测信号以及常规信号的功能。

天线辐射单元阵1，均匀分布于天线安装架2上，与射频板3相连，用于将接收的多个通道的射频信号发送至射频板3；其中，天线安装架2呈球冠状。

其中，天线辐射单元阵是多个天线辐射单元组成的阵列，所述多个天线辐射单元被按照一定方向，均匀分布于天线安装架上，用于增强GNSS全向天线的方向性，提高GNSS全向天线的增益系数，从而满足所需的方向特性。天线安装架是用于支持天线辐射单元阵的物理结构，在本实施例中，天线安装架呈球冠状，从而使固定于其上的天线辐射单元阵也呈球冠状分布，典型的，天线安装架呈半球状，天线辐射单元阵呈半球状分布于天线安装架上。

这样设置的好处在于：相比现有技术中，在平面结构上分布天线辐射单元阵的方式，天线辐射单元阵的球冠状分布排列方式可以扩大GNSS全向天线的探测角域，使探测角域从锥形空间扩展到整个半球空间，更有利于GNSS全向天线跟踪信号。

多个通道的射频信号是指多个导航星座和/或多个频点的GNSS射频信号，且GNSS射频信号主要包括GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号。在本实施例中，天线辐射单元阵接收的GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号是用于预报掩星探测事件或反射探测事件的频射信号，所述掩星探测事件是指处理穿越地球大气层与电离层，并切割出地球大气层与电离层剖面的GNSS导航信号，反演得到中性大气温湿压廓线以及电离层电子密度廓线的事件，所述反射探测事件是指处理经过海面反射的GNSS导航信号，根据信号中携带的反射面特性信息(波形、极化特性、幅度、相位和频率等参量)，获取海面风场信息的事件。

在本实施例中，天线辐射单元阵实时接收可预报观测事件的多个通道的射频信号，并将得到的信号发送至射频版进行处理，以进一步获取信号的准确产生位置以及预报的事件信息。

射频板3，与基带板相连4，用于对接收到的射频信号进行滤波放大处理，将处理后的射频信号转化为数字信号，并发送至基带板4。

其中，射频板是对接收到的射频信号进行射频阵列放大、滤波处理以及模数转换处理的电路，典型的，所述射频板的电路结构示意图如图1b所示。

基带板4，用于对接收的多个通道的数字信号进行数字波束形成处理，确定天线辐射单元阵1从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，并根据当前增益主轴位置以及调整相位，调整天线辐射单元阵1的增益主轴位置为预测增益主轴位置。

其中，基带板对接收的多个通道的数字信号进行数字波束形成处理的电路，典型的，所述基带板的电路结构示意图如图1b所示。

增益主轴是天线辐射单元阵中由接收的射频信号的增益值最高的天线辐射单元确定的轴，当前增益主轴位置是在当前天线接收过程中使用的增益主轴位置，预测增益主轴位置是通过对接收的多个通道的数字信号进行数字波束形成处理后，预测出的针对接收信号的增益主轴位置。

数字波束形成处理是指通过波束形成器，确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位的处理过程。GNSS掩星射频信号穿过大气或者GNSS-R反射射频信号经海面反射，都将产生信号的衰减，为了能够接收微弱射频信号并提供足够的信噪比，需利用波束形成器对多个通道的数字信号进行合成，从而实现定向接收射频信号的目的。在本实施例中，波束形成器是基于基带板上的FPGA电路实现的，波束形成器的基本原理就是利用滤波器处理多个通道的数字信号，通过改变滤波器的权值，使期望方向的数字信号通过滤波器，同时抑制其它方向的数字信号。

在本实施例中，基于天线辐射单元阵的当前增益主轴位置，以及通过对接收的多个通道的数字信号进行数字波束形成处理，可以确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，基于该调整相位，基带板可调整天线辐射单元阵的增益主轴位置为预测增益主轴位置，从而实现对信号的实时跟踪。

本实施例将天线辐射单元阵均匀分布于球冠状天线安装架上，并与射频板相连，再将射频板与基带板相连，利用天线辐射单元阵将接收的射频信号发送至射频板，通过射频板对接收到的射频信号进行滤波放大处理，将处理后的射频信号转化为数字信号并发送至基带板，再利用基带板对接收的数字信号进行数字波束形成处理，根据当前增益主轴位置以及计算出的调整相位，调整天线辐射单元阵的增益主轴位置，通过不断重复上述过程，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。即本实施例通过将天线辐射单元阵以球冠状分布，保证了所接收到的射频信号为全向探测角域内的信号，并通过实时计算从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，保证了GNSS全向天线可以实时跟踪到射频信号的产生位置。解决了现有技术中GNSS遥感天线不能从全向探测角域接收信号，也不能实时调整增益主轴来跟踪信号位置的问题，扩大了GNSS遥感天线的探测角域，并提高了GNSS遥感天线跟踪信号位置的灵敏度。

可选的，GNSS全向天线还包括：射频校准板5；

射频校准板5，位于射频板3和基带板4之间，用于接收射频板3发送的数字信号，对数字信号进行校准处理，得到幅相一致的多个通道的数字信号，并发送至基带板4。

其中，射频校准板用于产生校准信号，并作用于多个通道的数字信号上，以保证各通道的幅相一致性，典型的，所述射频校准板的电路结构示意图如图1b所示。

一般的，经射频前端采集的数字信号经过各个通道时受到不同的硬件延迟影响，在进行数字波束形成处理之前需进行幅相校准，即通过采集和分析各个通道数据，估计各个通道相对于基准通道的幅度差和相位差，通过数字方式进行补偿，使校正后的各通道的数字信号符合通道一致性指标要求。由此，保证了各通道的幅相一致性，同时也保证了各通道的稳定性。

可选的，基带板4，与接收机相连，用于接收接收机发送的控制指令，并将数字信号发送至所述接收机。

在本可选的技术方案中，基带板与接收机相连，接收接收机发送的控制指令，所述控制指令中可以包括接收机当前的位置信息，通过该位置信息可以确定在进行数字波束形成处理时的天线辐射单元阵的当前增益主轴位置，从而辅助实现基带板对接收的多个通道的数字信号进行数字波束形成处理的功能。由此，本可选的技术方案通过接收接收机发送的控制指令，保证了基带板准确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，提高了GNSS全向天线跟踪频射信号产生位置的准确度。

同时，基带板还用于将获取的数字信号发送给接收机，使接收机基于所述数字信号，进行信号的采样、解扩、解调以及信息解算，从而获取导航定位信息、星历以及历书信息，最终建立探测事件的观测开始时间和观测结束时间等信息

可选的，GNSS全向天线还包括：天线罩6、防水连接器7、支撑板8以及底盖板9；

天线罩6，与天线辐射单元阵1连接，位于GNSS全向天线的顶端，用于防止天线辐射单元阵1受损；

防水连接器7，与天线安装架2相连，其内部放置射频板3和射频校准板5，用于防止水汽进入防水连接器7内部，并固定天线罩6和天线安装架2；

支撑板8，与防水连接器相连7，其上设置有基带板固定槽，用于固定基带板4，并支撑防水连接器7中的射频板3和射频校准板5；

底盖板9，与支撑板8连接，位于GNSS全向天线的底端，用于封装支撑板8的基带板固定槽。

其中，天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境的作用，从而保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。天线罩还可以消除风负荷和风力矩，减小转动天线的驱动功率，减轻机械结构重量，减小惯量，提高固有频率。

防水连接器是可以应用到带水的环境当中，在承受一定的水压情况下能保证连接器内部机械性能、电气性能正常使用的连接器，在本可选的技术方案中，防水连接器内部放置射频板和射频校准板，主要用于防止射频板和射频校准板受水汽侵袭，同时，固定天线罩和天线安装架。

支撑板与防水连接器相连，可以固定在防水连接器的一侧，用于支撑防水连接器中的射频板和射频校准板，同时，支撑板上设置有基带板固定槽，用于固定基带板。再将基带板固定于支撑板后，需要将底盖板安装在支撑板上，使GNSS全向天线成为一个相对密封的整体。

本可选的技术方案，保证了GNSS全向天线作为一个完整的机械结构，具有防水性和结构稳定性

可选的，天线辐射单元阵1、射频板3、射频校准板5、基带板4以及接收机之间使用线缆连接。

本可选的技术方案，利用线缆连接各个主要信号接收以及处理结构，实现了射频信号的完整处理过程。

图2为本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线所适用的方法的流程图，所述方法可适用于接收掩星探测信号、反射探测信号以及常规信号的情况，该方法可以由上述GNSS全向天线来执行。

所述方法具体包括如下步骤：

步骤210、控制天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号，并将射频信号转化为数字信号；其中，天线辐射单元阵为均匀分布的球冠状天线阵列。

，GNSS全向天线的控制器控制天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号，再将多个通道的射频信号由天线辐射单元阵发送至射频板，使射频板对接收的射频信号进行模数转换处理，得到对应的多个通道的数字信号。由于固定天线辐射单元阵的天线安装架呈球冠状，从而使天线辐射单元阵为均匀分布的球冠状天线阵列，典型的，天线安装架呈半球状，天线辐射单元阵呈半球状分布于天线安装架上。

由此，通过利用球冠状分布的天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号，使获得GNSS全向天线的探测角域增大，便于GNSS全向天线跟踪信号。

可选的，射频信号包括：GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号；

在本可选的技术方案中，GNSS掩星射频信号和GNSS-R反射射频信号分别对应预报掩星探测事件和预报反射探测事件，需要说明的是，除GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号外，射频信号还可以是常规GNSS信号，即GNSS全向天线可以实现一般GNSS天线的全部功能。

步骤220、对数字信号进行数字波束形成处理，确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位。

当通过射频板获取到多个通道的数字信号后，将所述数字信号发送给基带板，基带板基于FPGA电路对数字信号进行数字波束形成处理，确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，即通过数字波束形成处理计算出的预测增益主轴位置可以实现在波束形成器的滤波器输出端同相叠加后，输出增益最大的效果。

步骤230、根据当前增益主轴位置以及调整相位，调整天线辐射单元阵的增益主轴位置为预测增益主轴位置，并返回执行控制天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号的操作，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。

由于天线辐射单元阵接收的GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号是用于预报掩星探测事件或反射探测事件的频射信号，也就是说在掩星探测事件或反射探测事件发生前，首先会通过发送预报性质的GNSS掩星射频信号或GNSS-R反射射频信号来使GNSS全向天线调整其增益主轴的位置，使在最终获取反映实际探测事件的射频信号时，GNSS全向天线的增益主轴正好指向射频信号的产生位置，从而使接收到的信号强度最大。

由此，当基带板不断获取由前置电路接收并处理得到的数字信号时，对接收到的数字信号进行实时数字波束形成处理，得到不断更新的调整相位，并通过FPGA电路实时更新GNSS全向天线的增益主轴位置，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。确定天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置的判定条件可以是：最近一次获得调整相位小于预设相位，则认为当前增益主轴指向射频信号的产生位置。其中，射频信号的产生位置包括GNSS掩星射频信号的发射位置或GNSS-R反射射频信号的反射位置。

利用天线辐射单元阵将接收的射频信号发送至射频板，通过射频板将接收的射频信号转化为数字信号并发送至基带板，再利用基带板对接收的数字信号进行数字波束形成处理，根据当前增益主轴位置以及计算出的调整相位，调整天线辐射单元阵的增益主轴位置，通过不断重复上述过程，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。即通过将天线辐射单元阵以球冠状分布，保证了所接收到的射频信号为全向探测角域内的信号，并通过实时计算从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位，保证了GNSS全向天线可以实时跟踪到射频信号的产生位置。解决了现有技术中GNSS遥感天线不能从全向探测角域接收信号，也不能实时调整增益主轴来跟踪信号位置的问题，扩大了GNSS遥感天线的探测角域，并提高了GNSS遥感天线跟踪信号位置的灵敏度。

图3为本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线所适用的方法的流程图，提供了在将射频信号转化为数字信号之前，以及在对数字信号进行数字波束形成处理之前的具体实施步骤。下面结合图3对本实用新型实施例一提供的一种GNSS全向天线所适用的方法进行说明，包括以下步骤：

步骤310、控制天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号；其中，天线辐射单元阵为均匀分布的球冠状天线阵列。

步骤320、对接收的射频信号进行滤波放大处理。

在射频板将射频信号转化为数字信号之前，还会对接收到的射频信号进行射频阵列放大、滤波处理，用以保证进行模数转换的射频信号的质量。

步骤330、将射频信号转化为数字信号。

步骤340、对数字信号进行校准处理，得到幅相一致的多个通道的数字信号。

在射频板将射频信号转化为数字信号之后，GNSS全向天线的控制器控制所述数字信号由射频板发送至射频校准板，射频校准板对接收的数字信号进行校准处理，得到幅相一致的多个通道的数字信号。

假设在射频校准板上，N个通道对应的N个不同滤波器的传递函数为：

H1(w)＝α1(w)exp[jβ1(w)]

…………..

HN(w)＝αN(w)exp[jβN(w)]

加入的校准信号为s(w)，天线辐射单元阵在窄带条件下，通常选择点频信号进行单频点校准，则接收的第k个通道的信号为：

sk(w)＝αk(w)exp[jβk(w)]×s(w)，k＝1,2,…,N

为了得到通道间不一致程度，以通道1的数据为参考信号，则通道k和通道1之间的差异用复数除法表示可得：

校正时入射射频信号选用窄带信号，且不同通道的频率响应函数是时间慢变的，可以认为对于某一载频的幅相误差为一常数，因此上式写为：

上式即为某一载频w下通道k的幅相校准权系数。由于幅相误差计算需要各个接收通道相对于参考通道的幅相误差，则对于阵元数为N的天线辐射单元阵，需要计算的校正系数就为η＝[η1,η2,…,ηN]。基于该校正系数，通过数字补偿，即可实现对各通道进行校准。

步骤350、接收接收机发送的控制指令，并将数字信号发送至接收机。

GNSS全向天线的控制器控制基带板接收接收机发送的控制指令，该控制指令可以包含用于确定接收机当前位置的位置信息，基于该位置信息，基带板可以对数字信号进行数字波束形成处理，确定增益主轴的调整相位。基带板还将所接收的数字信号发送至接收机，使接收机基于数字信号进行信号的采样、解扩、解调以及信息解算，从而获取导航定位信息、星历以及历书信息，最终建立探测事件的观测开始时间和观测结束时间等信息。需要说明的是，上述接收接收机发送的控制指令的操作和将数字信号发送至接收机的操作可以同时执行，也可以顺序执行，当顺序执行时，对其操作顺序并不做具体限定。

步骤360、对数字信号进行数字波束形成处理，确定天线辐射单元阵从当前增益主轴位置调整到预测增益主轴位置的调整相位。

步骤370、根据当前增益主轴位置以及所述调整相位，调整天线辐射单元阵的增益主轴位置为所述预测增益主轴位置，并返回执行控制天线辐射单元阵接收多个通道的射频信号的操作，直至天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置。

通过提供了在将射频信号转化为数字信号之前，以及在对数字信号进行数字波束形成处理之前的具体实施步骤，通过对接收的射频信号进行滤波放大处理，保证了进行模数转换的射频信号的信号质量，通过对数字信号进行校准处理，保证了各通道的幅相一致性，同时也保证了各通道的稳定性。

可选的，在天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置之后，还包括：

接收从产生位置获取的目标射频信号，并将目标射频信号转化为目标数字信号；

将目标数字信号发送至接收机。

其中，目标射频信号是指用于反演得到大气信息以及海面风场信息的射频信号，即反映实际探测事件的射频信号。

在本可选的技术方案中，在天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置之后，即GNSS全向天线通过预报探测事件的射频信号，确定射频信号的产生位置，并将天线辐射单元阵的增益主轴指向射频信号的产生位置之后，结合接收机建立探测事件的观测开始时间和观测结束时间等信息，GNSS全向天线从产生位置获取目标射频信号，并完成信号放大、滤波、模数转换以及校准处理过程，将最终获得的目标数字信号提供给接收机，用于分析探测事件中的大气或者海洋相关信息。由此，本可选的技术方案，通过在确定预报射频信号产生位置之后，接收反映实际探测事件的射频信号，实现了对大气或者海洋信息的检测过程。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。